粗粒含量對含粗粒滑帶土剪切特性影響研究★

李鴻釗 李澤闖 袁安泰 趙金炎 蘇新成

(東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

滑坡出現，對人民生活、經濟建設和人民財產造成巨大的損失，滑坡滑帶土存在于多數滑坡的滑床與滑體之間，成為滑坡中力學強度最低的軟弱帶。大量滑坡的滑帶土勘察數據表明，土質滑坡的滑帶土多為含粗粒土，即根據SL 237—1999土工試驗規程，試樣中粗粒組質量為總質量的25%～50%的土。對含粗粒滑帶土的研究有很多問題。首先，現在對其力學性質的研究沒有好的方法；除此之外，力學參數取值是一個備受討論的話題，很少研究不同粗顆粒含量和其他因素作用下參數變化情況。

含粗粒土的粗粒含量是決定其變形破壞的關鍵因素，對其力學性能有著重要的影響。Shakoor等[1]對含粗粒土進行過直接剪切試驗，得到含石率增加，含粗粒滑帶土試樣的無側限抗壓強度下降[2]。提出了一種基于加利福尼亞弗朗西斯卡地區滑坡現場分析的反演方法，可用于評測不同巖土體的力學特性。Vallejo等[3，4]探討了粗粒含量對含粗粒滑帶土抗剪強度及其內部孔隙比的影響。方慶軍等[5]利用光學測試技術，獲取試樣觀測面在荷載作用下連續變化的數字圖像，并結合數字相關法，進行試樣表面相對位移場的測量，以確定剪切帶通過的區域，進而確定剪切帶細觀結構的觀測區域。

本項研究利用室內直剪儀，借助有機鋼化玻璃對剪切盒進行可視化改造，在鋼化玻璃前放置高清數字視頻錄制設備，錄攝剪切盒中含粗粒土試樣中的土顆粒的變化情況，研究滑坡滑帶土的力學行為特性。首先進行滑帶土野外取樣，通過調整滑帶土的粗粒含量得到不同類別的滑帶土重塑試樣，利用室內剪切試驗得到滑帶土抗剪強度參數。通過這些研究，希望能對今后滑坡滑帶土強度參數的選取提供參考。我們把含粗粒滑帶土的宏觀的力學特征與細觀參數聯系起來，完善滑帶土受力后的宏、細觀機理。

1 試驗方法

實驗室試驗是滑帶土力學性能研究的基礎，這方面的研究一直是巖土工程專家學者的熱點，直剪試驗由于其操作簡便、適用范圍廣而應用最為普遍。直剪試驗儀器雖在近年得到了發展，但仍存在不足，由于傳統剪切盒均是由不透明的鋼板制作而成，很難直接觀測到試樣在剪切過程中粗顆粒錯動、剪碎、翻滾等細觀參數的變化情況。

傳統的直剪試驗只能得出土體的強度參數，而無法探究含粗粒土在受剪時的土顆粒的運動變形過程，為了測出含粗粒土在受剪時的變形狀態，需要對剪切盒進行可視化改造。本項研究將上剪切盒由完全透明的有機鋼化玻璃制成，上剪切盒主體為83 mm×83 mm×25 mm的長方體(見圖1)。可直接觀測含粗粒土的變形破壞情況。通過觀察顆粒運動及土體變形，能更加深刻的了解含粗粒土剪切破壞情況及理解直剪試驗的原理，從而更好地理解含粗粒土的受力情況和剪切帶的發育過程。

利用高清數字視頻錄制設備通過透明的有機玻璃錄攝剪切盒中土顆粒變化情況，由數字圖像細觀結構分析軟件，統計分析含粗粒滑帶土顆粒長軸定向等細觀組構參量的變化規律。

試驗其他方面可按照直剪試驗要求操作，首先配置試樣，測定原狀土的成分，并使用一組不同孔徑大小的標準土壤篩分離一定量的對應于篩孔尺寸的土粒，通過稱重得到各組的質量，即可得到各粒組相對含量。此試驗的含粗粒土重塑樣細粒組含量與原狀樣相同，不斷增加粗粒含量部分，粒徑為2 mm～0.5 mm，0.5 mm～0.25 mm和0.25 mm～0.075 mm間顆粒質量相同程度增加。根據相關公式計算粗粒干土和水的質量。將分層的土放入置于電子秤上的容器中，慢慢將水噴入其中，防止加水過量。

本次試驗采用應變控制式直剪儀，所需環刀尺寸為直徑61.8 mm，高度20 mm，采用標準的試驗方法進行試驗，得出不同垂直壓應力P(100 kPa,200 kPa,300 kPa, 400 kPa)對應的抗剪強度τ，τ和P符合庫侖方程，繪制τ—P關系曲線，得出抗剪強度指標內摩擦角Φ和粘聚力C。

直剪試驗過程中，剪切面附近上剪切盒中顆粒會因受力而運動，可視化剪切盒可以使直剪試驗中土顆粒的受剪過程直觀的展現出來，利用高清數碼攝錄裝置記錄下來，并利用圖像處理軟件進行分析處理(見圖2)。

2 試驗結果

直剪試驗研究表明：粗粒含量的變化會引起滑動帶內部結構的變化，從而對滑動帶抗剪強度產生影響。當含粗粒土中粗粒含量大于25%并小于30%時，抗剪強度基本上決定于細粒土；粗粒含量在30%～50%時，粗細粒的組合一起決定抗剪強度，抗剪強度隨著粗粒含量的上升而迅速增大。

本項研究嘗試運用數字圖像分析軟件，對滑動帶滑動過程細觀圖像進行處理分析，發現：含粗粒滑帶土試樣的粗粒含量大于25%并小于30%時，粗顆粒懸浮于細顆粒中，可定義為“懸浮結構”；當粗顆粒含量在30%～50%時，由于粗顆粒所占比重多，形成骨架，其在受力時起主要作用。開始剪切試驗后，隨著剪位移的增加，剪切盒內粗顆粒產生平移、擠壓、轉動和錯動，滑動帶中孔隙率逐漸降低。

3 試驗結論

本項目通過調整滑帶土粗粒含量得到不同類別的滑帶土重塑試樣，利用直剪試驗得到滑帶土抗剪強度參數。常規的直剪試驗無法直接觀察直剪過程中內部土樣的變化過程，本項研究利用有機鋼化。玻璃對直剪試驗儀的剪切盒進行可視化改造，借助高清數碼攝錄裝置觀察含粗粒滑帶土剪切過程中粗顆粒翻轉等細觀情況。所得結論如下：

1)含粗粒土的抗剪強度特性，當粗粒含量在25%～30%范圍時，基本上細粒土決定含粗粒土的抗剪強度，粗粒含量的增加對抗剪強度的影響很小；粗粒含量在30%～50%時，粗細粒的組合一起決定抗剪強度，抗剪強度隨著粗粒含量的上升而迅速增大。粗粒含量是決定抗剪強度的主要因素。

2)含粗粒土，由粗粒和細粒共同組成，當含粗粒土中粗粒含量不同時，試樣中粗粒和細粒的分布狀態不同，其接觸受力狀態也不同，當粗粒含量在25%～30%范圍時，含粗粒土中粗顆粒所占比例較低，粗顆粒懸浮于細顆粒中，其工程性質與力學性能的特點類似于細粒土。其強度主要由細粒土決定，此時可定義為“懸浮結構”。當粗顆粒含量在30%～50%時，由于粗顆粒所占比重多，形成骨架，其在受力時起主要作用，細顆粒存在于粗顆粒的空隙中。含粗粒土強度由粗顆粒間的嵌鎖和細粒的膠結作用構成。

3)可視化直剪初期，位移和應變分布不均勻，只有部分顆粒表現出較大的位移和剪應變，隨著剪切運動的進行，試樣中粗顆粒產生平移、擠壓、錯動和轉動，顆粒接觸不斷調整。